新疆某水電站壩址河槽深厚覆蓋層工程地質(zhì)特性

孫 凡

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆某水電站壩址河槽深厚覆蓋層工程地質(zhì)特性

孫 凡

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

為了解壩址區(qū)深厚覆蓋層的工程地質(zhì)特性，本文以新疆某水電站工程為例，對(duì)深厚覆蓋層的物質(zhì)組成特征、物理力學(xué)性能、滲透性能及參數(shù)取值進(jìn)行了研究，為工程的設(shè)計(jì)和施工提供了依據(jù)。

新疆；水電站；深厚覆蓋層；工程地質(zhì)

隨著水利水電工程的大力建設(shè)，許多工程在河槽中都會(huì)遇到深厚覆蓋層處理問題[1]。由于深厚覆蓋層的物質(zhì)組成、厚度、分布范圍很復(fù)雜，其承載能力、壓縮性能、滲透性能等差別很大，修建大壩時(shí)，會(huì)引起壩基抗滑穩(wěn)定、不均勻沉降、滲透穩(wěn)定、砂土液化等問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及大壩安全，造成壩體開裂、壩基失穩(wěn)甚至垮壩事故[2-3]。因此，對(duì)壩址河槽深厚覆蓋層工程地質(zhì)特性的研究，對(duì)大壩優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工控制和保證大壩安全具有重要作用。國(guó)內(nèi)外有很多深厚覆蓋層上大壩建設(shè)的工程實(shí)例[4-5]，如埃及的阿斯旺、巴基斯坦的塔貝拉、法國(guó)的謝爾蓬松以及我國(guó)的烏東德、白鶴灘、向家壩、瀑布溝、小浪底、錦屏等大壩。我國(guó)在建壩對(duì)深厚覆蓋層工程地質(zhì)特性研究也取得了許多成果，對(duì)深厚覆蓋層的成因以及滲透特征、力學(xué)參數(shù)等進(jìn)行了試驗(yàn)分析，提出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和體系。本文以新疆某水電站工程為例，對(duì)深厚覆蓋層的物質(zhì)組成特征、物理力學(xué)性能、滲透性能及參數(shù)取值進(jìn)行了研究，其結(jié)果為工程的設(shè)計(jì)和施工提供了依據(jù)。

1 工程概況

水電站壩址區(qū)位于新疆莎車縣城以南130 km，所在河流為葉爾羌河中游，其設(shè)計(jì)水位1820 m，最大壩高163 m，總庫(kù)容22億m3，灌溉面積27.76萬(wàn)hm2，裝機(jī)容量660 MW，年發(fā)電量20.7億kW，是一座集防洪、發(fā)電、灌溉等功能于一身的控制性水利樞紐。工程區(qū)位于西昆侖和鐵克里克地體上，塔里木地臺(tái)南西構(gòu)造的次級(jí)構(gòu)造單元鐵克里克斷隆上，屬西昆侖山前隆起區(qū)。壩址區(qū)地形地貌屬山區(qū)地貌單元，西昆侖山高程2300～4500 m，與塔里木盆地相鄰山體高程約200 m，壩址區(qū)葉爾羌河流向自西向東，河底高程約1660 m，工程區(qū)內(nèi)河谷寬550～3500 m，兩岸沖溝和階地發(fā)育。

2 深厚覆蓋層工程地質(zhì)特性

2.1 物質(zhì)及空間特征

壩址區(qū)河槽呈寬“U”型谷，寬260～450 m，歷次勘察共布置4條剖線，34個(gè)鉆孔，揭露的覆蓋層厚度20～93.9 m。根據(jù)鉆探成果可以將覆蓋層劃分為全新統(tǒng)沖積含漂石砂卵礫石層和中更新統(tǒng)沖積砂卵礫石層，其中全新統(tǒng)覆蓋層厚4～17.6 m，主要為沖洪積、泥石流堆積,少量為崩積形成的漂石、卵礫石，呈次圓狀～圓狀，局部夾薄層砂層透鏡體，結(jié)構(gòu)密實(shí)；中更新統(tǒng)覆蓋層厚36～90 m，主要為砂卵礫石，夾多層呈連續(xù)分布的卵礫石層，局部夾不連續(xù)薄層砂層透鏡體，本層底部多夾崩積、坡積形成的塊石、孤石，呈次棱角狀～次圓狀。壩址處覆蓋層最厚部位處在河槽中部偏右岸位置，覆蓋層一般厚度50～80 m，分布如圖1所示。

圖1 河槽覆蓋層分布

2.2 物理力學(xué)特征

為了研究全新統(tǒng)和中更新統(tǒng)覆蓋層的物理力學(xué)特征，采用了探坑和豎井取樣、現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、室內(nèi)大型壓縮試驗(yàn)以及超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)等方法。對(duì)探坑和豎井取樣首先進(jìn)行顆分試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 覆蓋層顆分曲線

由圖2可知：全新統(tǒng)覆蓋層中漂石、卵石、礫石和砂等各粒組的含量依次為9.0%、29.6%、41.2%和18.0%，其中漂石粒徑為200～400 mm，個(gè)別超過600 mm，砂為中細(xì)砂，該覆蓋層不均勻系數(shù)為335，曲率系數(shù)為20，級(jí)配不良；中更新統(tǒng)砂卵礫石層中漂石、卵石、礫石和砂等各粒組的含量依次為1.1%、26.4%、51.2%和20.5%，砂為中細(xì)砂，該層不均勻系數(shù)為368，曲率系數(shù)為36，級(jí)配不良；中更新統(tǒng)卵礫石層中卵石和礫石的含量分別為19.7%和75.1%，該層不均勻系數(shù)為4.4，曲率系數(shù)為1.9，級(jí)配不良，滲透性較強(qiáng)。

全新統(tǒng)覆蓋層天然干密度為2.12～2.25 g/cm3，平均值2.21 g/cm3；相對(duì)密度在0.73～0.88之間，平均值0.82；飽和時(shí)內(nèi)摩擦角40.1°～42.6°，平均值41.2°，黏聚力17.0～53.0 kPa，平均值29.0 kPa。中更新統(tǒng)覆蓋層天然干密度為2.21～2.25 g/cm3，相對(duì)密度在0.83～0.91之間，飽和時(shí)內(nèi)摩擦角38.1°～42.1°，黏聚力8.1～14.2 kPa。

對(duì)全新統(tǒng)和中更新統(tǒng)覆蓋層分別做了2組現(xiàn)場(chǎng)承壓板載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 覆蓋層載荷試驗(yàn)曲線

覆蓋層類別試驗(yàn)編號(hào)巖性承壓板直徑/cm載荷分級(jí)最大加載量/kPa累計(jì)沉降量/mm極限荷載承載力特征值fak/kPa全新統(tǒng)中更新統(tǒng)zh1zh2zh3zh4砂礫石砂礫石夾砂層砂礫石5051214503653645446851575450015195944870209603502082983025193374979528574482018448

本次選取4個(gè)鉆孔，采用GA型旁壓儀，60 mm直徑的BX型探頭，其初始體積535 cm3，進(jìn)行了旁壓試驗(yàn)，結(jié)果為：全新統(tǒng)覆蓋層旁壓模量在16.3～122.4 MPa，平均67.4 MPa，換算為變形模量在81.4～437.4 MPa，平均264.0 MPa；中更新統(tǒng)砂卵礫石層旁壓模量在50.0～248.9 MPa，平均124.1 MPa，換算為變形模量在203.7～541.6 MPa，平均339.9 MPa；中更新統(tǒng)卵礫石層旁壓模量在8.2～28.5 MPa，平均18.0 MPa，換算為變形模量在40.9～142.1 MPa，平均82.9 MPa。

對(duì)中更新統(tǒng)卵礫石層進(jìn)行了超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該層結(jié)構(gòu)多為中密狀態(tài)，個(gè)別為稍密狀態(tài)。對(duì)各覆蓋層進(jìn)行了室內(nèi)大型壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 覆蓋層室內(nèi)大型壓縮試驗(yàn)成果

2.3 滲透特征

為了查明壩址區(qū)深厚覆蓋層的滲透特征，本次共進(jìn)行了40組室內(nèi)滲透試驗(yàn)和2組鉆孔抽水試驗(yàn)。其中鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果為全新統(tǒng)覆蓋層滲透系數(shù)7.70×10-2cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水層；中更新統(tǒng)覆蓋層滲透系數(shù)2.94×10-1cm/s，也屬?gòu)?qiáng)透水層。室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果為：全新統(tǒng)覆蓋層滲透系數(shù)1.1×10-3～7.7×10-3cm/s，平均1.50×10-3cm/s，屬中等透水層；中更新統(tǒng)砂卵礫石層滲透系數(shù)2.7×10-2～3.6×10-2cm/s，平均3.20×10-2cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水層；中更新統(tǒng)卵礫石層滲透系數(shù)2.9×10-2～2.5×10-1cm/s，平均1.30×10-1cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水層。

3 結(jié) 論

通過對(duì)新疆某水電站深厚覆蓋層進(jìn)行鉆探、開挖探坑及豎井、進(jìn)行顆分試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、室內(nèi)大型壓縮試驗(yàn)、超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)、鉆孔抽水試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)等方法，查明覆蓋層厚度20～93.9 m，其中全新統(tǒng)覆蓋層厚4～17.6 m，天然干密度平均值2.21 g/cm3，相對(duì)密度平均值0.82，飽和時(shí)內(nèi)摩擦角平均值41.2°，黏聚力平均值29.0 kPa，旁壓模量平均67.4 MPa，變形模量平均264.0 MPa，級(jí)配不良，屬中等～強(qiáng)透水層；中更新統(tǒng)覆蓋層厚36～90 m，天然干密度2.21～2.25g/cm3，相對(duì)密度在0.83～0.91之間，飽和時(shí)內(nèi)摩擦角38.1°～42.1°，黏聚力8.1～14.2 kPa，旁壓模量平均124.1 MPa，變形模量平均339.9 MPa，級(jí)配不良，屬?gòu)?qiáng)透水層；中更新統(tǒng)卵礫石層旁壓模量平均18.0 MPa，變形模量平均82.9 MPa，級(jí)配不良，屬?gòu)?qiáng)透水層。

[1] 楊正權(quán),劉小生,趙劍明,等.考慮深厚覆蓋層結(jié)構(gòu)特性的場(chǎng)地地震反應(yīng)分析研究[J]．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015, 34(1):175-182.

[2] 吳夢(mèng)喜,楊連枝,王鋒. 強(qiáng)弱透水相間深厚覆蓋層壩基的滲流分析[J]. 水利學(xué)報(bào),2013, 44(12):1439-1447.

[3] 潘家軍,饒錫保,周欣華,等. 深厚覆蓋層上面板堆石壩新型結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形性狀影響因素[J]. 水利學(xué)報(bào),2015, 46(S1):163-167.

[4] 王運(yùn)生,鄧茜,羅永紅,等. 金沙江其宗河段河床深厚覆蓋層特征及其工程效應(yīng)研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2011, 38(1):40-45，64.

[5] 李會(huì)中,郝文忠,潘玉珍,等. 烏東德水電站壩址區(qū)河床深厚覆蓋層組成與結(jié)構(gòu)地質(zhì)勘察研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2014, 22(5):944-950.

Engineering geological characteristics of deep overburden layer in a hydropower station dam-site channel of Xinjiang

SUN Fan

(XinjiangUygurAutonomousRegionWaterConservancyandHydropowerInvestigation,DesignandResearchInstitute,Urumqi830000,China) Abstract： In order to comprehend the engineering geological characteristics of deep overburden layer in dam area, a hydropower station project of Xinjiang was taken as an example to study the material composition, physical and mechanical properties, permeability performance and parameters value of the deep overburden layer by this paper., which provided a basis for the engineering design and construction.

Xinjiang; hydropower station; deep overburden layer; engineering geology

孫 凡(1989-)，男，助理工程師，研究方向?yàn)樗こ痰刭|(zhì)。

P64

A

2096-0506(2016)12-0041-04